microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2022-4-57-62microbe-1761Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESВариабельность генов pgm‑области штаммов Yersinia pestis из Прикаспийского песчаного и сопредельных очагов чумыVariability of pgm‑Region Genes in Yersinia pestis Strains from the Caspian Sandy and Adjacent Plague Focihttps://orcid.org/0000-0001-6522-2606ГорюноваП. А.GoryunovaP. A.

Горюнова Полина Александровна

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

Polina A. Goryunova

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5403-989XЕрошенкоГ. А.EroshenkoG. A.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0003-2438-8364КуклеваЛ. М.KuklevaL. M.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0002-9190-099XНарышкинаЕ. А.NaryshkinaE. A.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

ДевдарианиЗ. Л.DevdarianiZ. L.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0003-3133-3820ЧервяковаН. С.ChervyakovaN. S.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0003-3788-3452КутыревВ. В.KutyrevV. V.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

ФКУН «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian Federation202211022023045762Copyright © Горюнова П.А., Ерошенко Г.А., Куклева Л.М., Нарышкина Е.А., Девдариани З.Л., Червякова Н.С., Кутырев В.В., 20232023Горюнова П.А., Ерошенко Г.А., Куклева Л.М., Нарышкина Е.А., Девдариани З.Л., Червякова Н.С., Кутырев В.В.Goryunova P.A., Eroshenko G.A., Kukleva L.M., Naryshkina E.A., Devdariani Z.L., Chervyakova N.S., Kutyrev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.microbe.ru/jour/article/view/1761

Цель работы – сравнение нуклеотидных последовательностей генов pgm‑области штаммов Yersinia pestis, выделенных в 1925–2015 гг. на территории Прикаспийского песчаного и сопредельных очагов чумы. Материалы и методы. В работе использованы 65 штаммов Y. pestis из Прикаспийского песчаного и сопредельных очагов чумы. Выделение ДНК проводили с помощью набора PureLink Genomic DNA Mini Kit. Полногеномное секвенирование выполняли в Ion S5 XL System (Thermo Fischer Scientific). Обработку данных осуществляли с помощью Ion Torrent Suite software package 3.4.2 и NewblerGS Assembler 2.6. Для сравнения полученных последовательностей с генетическим банком данных GenBank NCBI использовали алгоритм Blast. Филогенетический анализ выполнен по данным полногеномного SNP‑анализа на основе 1183 выявленных SNPs. Поиск маркерных SNPs выполняли с помощью программы Snippy 4.6. Построение филогенетического дерева осуществляли с использованием алгоритма Maximum Likelihood, модель нуклеотидных замен GTR. Результаты и обсуждение. Проанализированы нуклеотидные последовательности генов pgm‑области 65 штаммов Y. pestis из Прикаспийского песчаного и сопредельных очагов чумы. Выявлены единичные нуклеотидные замены у штаммов Y. pestis из Прикаспийского песчаного и Кобыстанского равнинно-предгорного очагов в генах hmsR, astВ, ybtS, ypo1944, ypo1943, ypo1936, а также делеция в 5 п.н. в гене ypo1945, которая характерна для штаммов одной из филогенетических линий Y. pestis из очагов Кавказа и Закавказья, выделенных в 1968–2001 гг. Полученные данные могут быть использованы для дифференциации штаммов Y. pestis из Прикаспийского песчаного очага, а также в установлении направлений микроэволюции возбудителя чумы в этом регионе Прикаспия и сопредельных очагах.

The aim of the study was to compare the nucleotide sequences of pgm‑region genes in Yersinia pestis strains isolated on the territory of the Caspian sandy and adjacent plague foci in 1925–2015. Materials and methods. 65 Y. pestis strains from the Caspian sandy and adjacent plague foci were used in the work. DNA isolation was performed using the PureLink Genomic DNA Mini Kit. Whole genome sequencing was conducted in Ion S5 XL System (Thermo Fischer Scientific). Data processing was carried out using Ion Torrent Suite software package 3.4.2 and NewblerGS Assembler 2.6. To compare the obtained sequences with the NCBI GenBank database, the Blast algorithm was used. The phylogenetic analysis was performed according to the data of whole genome SNP analysis based on 1183 identified SNPs. The search for marker SNPs was performed using the Snippy 4.6 program. The phylogenetic tree was constructed using the Maximum Likelihood algorithm, the GTR nucleotide substitution model. Results and discussion. The nucleotide sequences of pgm‑region genes of 65 Y. pestis strains from the Caspian sandy and adjacent plague foci have been assessed. Single nucleotide substitutions have been identified in Y. pestis strains from the Caspian sandy and Kobystan plain-foothill foci in the hmsR, astB, ybtS, ypo1944, ypo1943, ypo1936 genes, as well as a deletion of 5 bp in the ypo1945 gene, which is characteristic of strains of one of the phylogenetic lines of Y. pestis from the foci of Caucasus and Transcaucasia, isolated in 1968–2001. The data obtained can be used to differentiate Y. pestis strains from the Caspian sandy focus, as well as to establish the directions of microevolution of the plague pathogen in this region and adjacent foci.

чумаpgm‑областьhms‑оперонприродные очагиplaguepgm‑regionhms‑operonnatural fociReferencesFetherston J.D., Schuetze P., Perry R.D. Loss of the pigmentation phenotype in Yersinia pestis is due to the spontaneous deletion of 102 kb of chromosomal DNA which is fanked by a repetitive element. Mol. Microbiol. 1992; 6(18):2693–704. DOI: 10.1111/j.1365-2958.1992.tb01446.x.Fetherston J.D., Schuetze P., Perry R.D. Loss of the pigmentation phenotype in Yersinia pestis is due to the spontaneous deletion of 102 kb of chromosomal DNA which is fanked by a repetitive element. Mol. Microbiol. 1992; 6(18):2693–704. DOI: 10.1111/j.1365-2958.1992.tb01446.x.Buchrieser C., Rusniok C., Frangeul L., Couve E., Billault A., Kunst F., Carniel E., Glaser P. The 102-kilobase pgm locus of Yersinia pestis: sequence analysis and comparison of selected regions among different Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosis strains. Infect. Immun. 1999; 67(9):4851–61. DOI: 10.1128/IAI.67.9.4851-4861.1999.Buchrieser C., Rusniok C., Frangeul L., Couve E., Billault A., Kunst F., Carniel E., Glaser P. The 102-kilobase pgm locus of Yersinia pestis: sequence analysis and comparison of selected regions among different Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosis strains. Infect. Immun. 1999; 67(9):4851–61. DOI: 10.1128/IAI.67.9.4851-4861.1999.Perry R.D., Bobrov A.G., Kirillina O., Jones H.A., Pedersen L., Abney J., Fetherston J.D. Temperature regulation of the hemin storage (Hms+) phenotype of Yersinia pestis is posttranscriptional. J. Bacteriol. 2004; 186(6):1638–47. DOI: 10.1128/JB.186.6.1638-1647.2004.Perry R.D., Bobrov A.G., Kirillina O., Jones H.A., Pedersen L., Abney J., Fetherston J.D. Temperature regulation of the hemin storage (Hms+) phenotype of Yersinia pestis is posttranscriptional. J. Bacteriol. 2004; 186(6):1638–47. DOI: 10.1128/JB.186.6.1638-1647.2004.Hinnebusch B.J., Perry R.D., Schwan T.G. Role of Yersinia pestis hemin storage (hms) locus in transmission of plague by fleas. Science. 1996; 273(5273):367–70. DOI: 10.1126/science.273.5273.367.Hinnebusch B.J., Perry R.D., Schwan T.G. Role of Yersinia pestis hemin storage (hms) locus in transmission of plague by fleas. Science. 1996; 273(5273):367–70. DOI: 10.1126/science.273.5273.367.Ерошенко Г.А., Видяева Н.А., Куклева Л.М., Кошель Е.И., Одиноков Г.Н., Шавина Н.Ю., Князева Т.В., Мокроусова Т.В., Краснов Я.М., Анисимова Л.В., Новичкова Л.А., Ерохин П.С., Бойко А.В., Кутырев В.В. Изучение образования биопленки у беспигментных и бесплазмидных мутантов штамма Yersinia pestis на биотических поверхностях в условиях in vitro и in vivo. Проблемы особо опасных инфекций. 2012; 3:45–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2012-3-45-49.Eroshenko G.A., Vidyaeva N.A., Kukleva L.M., Koshel’ E.I., Odinokov G.N., Shavina N.Yu., Knyazeva T.V., Mokrousova T.V., Krasnov Y.M., Anisimova L.V., Novichkova L.A., Erokhin P.S., Boiko A.V., Kutyrev V.V. [Studies of biofilm formation in non-pigmented and plasmid-deprived mutants of Yersinia pestis on biotic surfaces, in vivo and in vitro]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2012; (3):45–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2012-3-45-49.Bobrov A.G., Kirillina O., Forman S., Mack D., Perry R.D. Insights into Yersinia pestis biofilm development: topology and counteraction of Hms inner membrane proteins involved in exopolysaccharide production. Environ. Microbiol. 2008; 10(6):1419–32. DOI: 10.1111/j.1462-2920.2007.01554.x.Bobrov A.G., Kirillina O., Forman S., Mack D., Perry R.D. Insights into Yersinia pestis biofilm development: topology and counteraction of Hms inner membrane proteins involved in exopolysaccharide production. Environ. Microbiol. 2008; 10(6):1419–32. DOI: 10.1111/j.1462-2920.2007.01554.x.Perry R.D., Balbo P.B., Jones H.A., Fetherston J.D., DeMoll E. Yersiniabactin from Yersinia pestis: biochemical characterization of the siderophore and its role in iron transport and regulation. Microbiology (Reading). 1999; 145(Pt. 5):1181–90. DOI: 10.1099/13500872-145-5-118.Perry R.D., Balbo P.B., Jones H.A., Fetherston J.D., DeMoll E. Yersiniabactin from Yersinia pestis: biochemical characterization of the siderophore and its role in iron transport and regulation. Microbiology (Reading). 1999; 145(Pt. 5):1181–90. DOI: 10.1099/13500872-145-5-118.Cui Y., Yu C., Yan Y., Li D., Li Y., Jombart T., Weinert L.A., Wang Z., Guo Z., Xu L., Zhang Y., Zheng H., Qin N., Xiao X., Wu M., Wang X., Zhou D., Qi Z., Du Z., Wu H., Yang X., Cao H., Wang H., Wang J., Yao S., Rakin A., Li Y., Falush D., Balloux F., Achtman M., Song Y., Wang J., Yang R. Historical variations in mutation rate in an epidemic pathogen, Yersinia pestis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2013; 110(2):577–82. DOI: 10.1073/pnas.1205750110.Cui Y., Yu C., Yan Y., Li D., Li Y., Jombart T., Weinert L.A., Wang Z., Guo Z., Xu L., Zhang Y., Zheng H., Qin N., Xiao X., Wu M., Wang X., Zhou D., Qi Z., Du Z., Wu H., Yang X., Cao H., Wang H., Wang J., Yao S., Rakin A., Li Y., Falush D., Balloux F., Achtman M., Song Y., Wang J., Yang R. Historical variations in mutation rate in an epidemic pathogen, Yersinia pestis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2013; 110(2):577–82. DOI: 10.1073/pnas.1205750110.Darriba D., Taboada G.L., Doallo R., Posada D. jModelTest 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nat. Methods. 2012; 9(8):772. DOI: 10.1038/nmeth.2109.Darriba D., Taboada G.L., Doallo R., Posada D. jModelTest 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nat. Methods. 2012; 9(8):772. DOI: 10.1038/nmeth.2109.Булгакова Е.Г., Краснов Я.М., Гаева А.В., Сухоносов И.Ю., Анисимова Л.В., Гусева Н.П., Новичкова Л.А., Кутырев В .В. Особенности проявления признака пигментации и структурные различия генов hms‑оперона у штаммов Y. pestis и Y. Pseudotuberculosis разного происхождения. Проблемы особо опасных инфекций. 2011; 2:30–5. DOI: 10.21055/0370-1069-2011-2(108)-30-35.Boolgakova E.G., Krasnov Y.M., Gaeva A.V., Sukhonosov I.Yu., Anisimova L.V., Guseva N.P., Novichkova L.A., Kutyrev V.V. [Peculiarities of Pigmentation Expression and Structural Differences of hms Operon Genes in Y. pestis and Y. pseudotuberculosis Strains of Diverse Origin]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2011; (2):30–5. DOI: 10.21055/0370-1069-2011-2(108)-30-35.Forman S., Bobrov A.G., Kirillina O., Craig S.K., Abney J., Fetherston J.D., Perry R.D. Identification of critical amino acid residues in the plague biofilm Hms proteins. Microbiology (Reading). 2006; 152(Pt. 11):3399–410. DOI: 10.1099/mic.0.29224-0.Forman S., Bobrov A.G., Kirillina O., Craig S.K., Abney J., Fetherston J.D., Perry R.D. Identification of critical amino acid residues in the plague biofilm Hms proteins. Microbiology (Reading). 2006; 152(Pt. 11):3399–410. DOI: 10.1099/mic.0.29224-0.Gaddy C.E., Cuevas P.F., Hartman L.J., Howe G.B., Worsham P.L., Minogue T.D. Development of real-time PCR assays for specific detection of hmsH, hmsF, hmsR, and irp2 located within the 102-kb pgm locus of Yersinia pestis. Mol. Cell. Probes. 2014; 28(5-6):288–95. DOI: 10.1016/j.mcp.2014.08.004.Gaddy C.E., Cuevas P.F., Hartman L.J., Howe G.B., Worsham P.L., Minogue T.D. Development of real-time PCR assays for specific detection of hmsH, hmsF, hmsR, and irp2 located within the 102-kb pgm locus of Yersinia pestis. Mol. Cell. Probes. 2014; 28(5-6):288–95. DOI: 10.1016/j.mcp.2014.08.004.Никифоров К.А., Морозов О.А., Носов Н.Ю., Куклева Л.М., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В. Популяционная структура, таксономия и генетические особенности штаммов Yersinia pestis центральноазиатского подвида. Генетика. 2018; 54(10):1125–35. DOI: 10.1134/S0016675818100107.Nikiforov K.A., Morozov O.A., Nosov N.Y., Kukleva L.M., Yeroshenko G.A., Kutyrev V.V. [Population structure, taxonomy, and genetic features of Yersinia pestis strains of the Central Asian subspecies]. Genetika [Russian Journal of Genetics]. 2018; 54(10):1125–35. DOI: 10.1134/S0016675818100107.Miller M.C., Fetherston J.D., Pickett C.L., Bobrov A.G., Weaver R.H., DeMoll E., Perry R.D. Reduced synthesis of the Ybt siderophore or production of aberrant Ybt-like molecules activates transcription of yersiniabactin genes in Yersinia pestis. Microbiology (Reading). 2010; 156(Pt. 7):2226–38. DOI: 10.1099/mic.0.037945-0.Miller M.C., Fetherston J.D., Pickett C.L., Bobrov A.G., Weaver R.H., DeMoll E., Perry R.D. Reduced synthesis of the Ybt siderophore or production of aberrant Ybt-like molecules activates transcription of yersiniabactin genes in Yersinia pestis. Microbiology (Reading). 2010; 156(Pt. 7):2226–38. DOI: 10.1099/mic.0.037945-0.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.